化学反应工程9第二章均相理想流动反应器资料

结晶或沉 淀
2~3.2
2~1
2.8.2搅拌釜内的混合过程
一、流体力学
在搅拌釜反应器的放大过程中，首先要求所设计的生产装置 和模型装置保持几何相似，即相应的几何尺寸大小比值一定。生 产装置内的Red数、Frd数和模型装置内的Red数、Frd数相等。 Red、Frd分别为：
nd 2 nd 2 Re d v
三、平行反应过程的评选
1、对于单一组分的平行反应
反应： P为目标产物，SP和CA之间具有如下三 种关系：
①SP随CA的增大而增大
CP CPN CPf 由图可知：
结论：PFR最优，多釜串联次之，CSTR最差。
②SP随CA的增大而减小
CP CPN CPf 由图可知：
结论：PFR最差，多釜串联次之，CSTR最好。
功率强度容 积循环
2.5~3.5
1~3
单桨或多桨
溶解过程
切应力，容 积循环
1.6~3.2
0.2~2
桨叶处于液相 进料上午中心 线上
气液过程
螺旋桨 式 涡轮式 平桨式 螺旋桨 式 涡轮式 平桨式 螺旋桨 式 涡轮式 平桨式 螺旋桨 式 涡轮式 平桨式
气液流量/ （L/s） 0~236 0~2360 0~47.2 黏度范围/Pa.s 0~80 0~1000 800~1000 容积/L 0~37.85ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~19ⅹ103 容积/L 0~37.85ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~19ⅹ103
螺旋桨叶：NV=0.5；
NV=0.93D/d，D为釜直径。
六叶涡轮桨叶，叶片宽度和直径之比W/d=1/5 ，当Red>104，
功率数NP、NV和Red之间的关系如下图：
二、釜式反应器内混合概念
对于CSTR，存在两种混合。 1、返混 不同停留时间物料间的混合，即返混。CSTR是返混达到最大 的一种反应器。 问题：完全混合如何判断？ 经验标准是：
② a1 a2，b1 b 2 显然，对浓度 C A、C B 的控制应使都低，应缓 慢加入A和B。
③
a1 a2，b1 b 2
P的提高有利； P的提高有利。
C A S P ，即A的浓度应较高，对选择率S CB S P ，即B的浓度应较低，对选择率S
加料方式为先把A全部加入，然后缓慢加入B。
n2d ， Frd g
式中：n为桨叶转速，s-1；d为桨叶直径，m；ρ为液体密度，kg.m-3；μ 为黏度，N.s.m-2。
搅拌桨从叶轮外缘流出的径向体积流量vr和转速及叶轮直径的三次方成 正比。 vr 3 N 即： v r nd ，则： V nd 3 ，NV称为“循环因数”。
有挡板时的几种桨叶的NV值如下：
拌合过程
容积循环
3~6
单桨或多桨
固体悬浮 过程
固体循环 固体速度
2~3.5
1~0.5
和颗粒粒度有 关
分散过程 （不互溶 系统）
溶液反应 （互溶系统 ）
螺旋桨式 涡轮式 平桨式
螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式
控制液滴 再循环
3~3.5
1.0， 多级装 置为0.5
桨叶处于液相 进料的中心线 上
a b
rS k 2C A2 CB2
a
b
瞬时选择率： 则：
rP SP rP rS
1 1 SP rS k 2 a2 a1 b2 b1 1 C A CB 1 k1 rP
问题：如何提高选择率？
⑴连续操作 ① a1 a2，b1 b 2 对 C A、C B 的控制应使都高，操作方式如下：
2.8.3搅拌功率的计算 搅拌釜的功率计算目前只能通过实验获得经验关联式。 影响搅拌功率的因素可分为几何因素和物理因素两类： 1、几何因素（见图10）： ①搅拌桨叶的直径d； ②叶片数、形状以及叶片长度l和宽度W； ③容器直径D； ④容器中所装液体的高度h； ⑤搅拌器距离器底部的距离E； ⑥挡板的数目及宽度J。 通常以d为特征尺寸，其它几何尺寸以无因次的对比变量来表示，即以：
例：在一直径为1.2m，液深为2.0m，内装有四块挡板（J/D=0.10） 反应釜内，采用一个三翼螺旋桨以300转/分的转速进行搅拌，反应液 重度为1300kg/m3，黏度为13ⅹ10-3NS/m2，螺旋桨直径为d=0.4m，求： ⑴所需的搅拌功率为多少？ ⑵若改用同样直径的六翼涡轮桨，转速不变，搅拌功率为何？ ⑶若釜内没有装设挡板，搅拌功率发生怎样的变化？
表1 几种桨叶在不同要求下的不同适用情况
过程 桨叶形状 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 特征参数 容积/mL 0~3.785ⅹ105 0~2.08ⅹ105 0~7.57ⅹ105 固体含量/% 0~50 0~100 65~90 物料流量/ （cm3/s） 0~1.90 0~63 0~0.19 容积/mL 0~39.7ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~189ⅹ103 容积/L 0~3.97ⅹ103 0~37.85ⅹ103 0~37.85ⅹ103 要求 D/d H/D 没有 限制 补充说明
例1 平行—串联反应的最佳操作方式要得到最大的 目的产物R，对反应：
A B R R B S 125526 2 r1 k 10 exp C A C B RT 167368 r2 k 20 exp C R C B RT
③SP随CA增大开始增大，达到极值点后减小。
C Pf 由图可知：
C P C PN
结论：CSTR+PFR最佳，PFR次之，CSTR最差
问题：PFR串联CSTR可以吗？
结论： PFR + CSTR不是最佳，CPN较小
2、对于双组分的平行反应
若反应为：
rP k1C A1 CB1 反应速率为：
m b lg Re d a
查表得：a=1，b=40
m b lg Re d 40 lg 80000 35.rd 1.02 g 9.81
Frdm 1.0235.1 1.98
查图，得Φ =1.2
P Frdm n3 d 5 Re d 1.981300 0.45 53 1.2 790 W 0.79KW
，3
g n2d
P n 3 d 5 称为功率数；
nd 2 Re d 取π 2的倒数；
n2d 取π3的倒数。 Frd g
则相应的关联式为：
N P F Red 、Frd、S1、S2
对于一系列几何相似的搅拌装置，对比变量S1、S2……都为常数，上式 可按指数函数关联或采用 NP Re d m Frd 标绘作图，即可得功率曲线，如下所示：
VR
vr 。
VR vr t mix ，则： v0 v0 vr 5 ~ 101 v0 t mix
意义：在进行均相反应动力学测定前，必须保证物料混合均匀，亦
即预混合的时间需小于平均停留时间τ的10~20%。对溶液相快速反 应，甚至要求在10-3s内完成预混合，才能测定反应动力学参数。 方法：反应器中安装挡板。
b lg Re d a 两图上的a、b值见下表： m
图
13 14 14 14
线
B B C D
a
1.0 1.7 0.0 2.3
b
40.0 18.0 18.0 18.0
⑶在Red>10000时，此时： N P KT L S1、S2 Sn
P KT n 3 d 5
对几种搅拌桨叶，KL、KT值见下表：
图14中， S 3
L 1 H ， S J 1 S 1 ， 6 5 d 4 D 10 D
⑴在Red<10时，流体处于层流状态，函数式为： P N P Re d 2 3 K L L S1、S 2 S n n d
P K L n2d 3
⑵在Red>300时，若无挡板，指数m应作如下改变：
1
P
n d
x1
y1
z1
， 2
n d
x2 y2 z2
， 3
g
3n 3d
x
y
z3
各变量单位： P：kg.m2.s-3；μ ：kg.m-1.s-1；g：m.s-2。ρ ：kg.m-3；n：s-1；d：m。
则： 1
NP
P ， 2 nd 2 n 3 d 5
控制切应 力循环， 高流动速 度
2.5~4.0
4~1
用多桨时，最 下桨叶距底部 等于一个桨叶 直径。用自吸 式时，桨叶全 部在液面下
高黏性流 体
容积循环， 低流动速 1.5~2.5 度 容积循环， 和其它 高流速流 装置有 过传热面 关 循环，低 速度，控 制切应力
0.5~2
单桨或多桨
传热过程
-
单桨或多桨， 用盘管时注意 桨叶位置 单桨处于液面 进料的中心线 上
可见挡板对搅拌的影响是很大的。
2.8.4搅拌釜的传热 搅拌釜内的液体和釜壁或盘管间的传热，已有大量的研究。在湍 流情况下，一般用以下准数关联：
解：⑴先计算搅拌雷诺数
Re d
nd
2
1300
300 0.4 2 60 80000 10000 13 103
故： P KT n 3 d 5 查表，KT=0.32
P KT n3 d 5 0.321300 0.45 53 549 W 0.55KW
常用的桨叶：涡轮式、螺旋桨式、平桨式和具有高切应力 的桨叶。 按转速划分：涡轮式和螺旋桨式多为高转速；三叶后掠式 和平桨式为中等转速；锚式和螺带式为转速最慢。
螺旋式桨叶产生：较大的轴向循环作用； 涡轮式桨叶可产生：径向运动，由于剪切作用强烈，能使液体 获得良好的混合，甚至达到微观混合的程度，非常适用于CSTR， 定型尺寸见图10。